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1、第2章 直流电机,直流电动机将电能转化为机械能，具有调速性能好，起动转矩大的优点。特别是小型号的，广泛用于自动控制中。,直流发电机将机械能转化为电能，作直流电动机、同步电机励磁和蓄电池充电的电源，目前由二极管和晶闸管整流装置所取代。,2.1.1 直流电动机的工作原理,2.1.2 直流发电机的工作原理,2. 1.2 直流电机的结构,转子包括电枢铁心、电枢绕组、换向器和风扇。,定子包括主磁极、机座、换向极、电刷装置和端盖。,1轴承；2轴；3电枢绕组；4换向极绕组；5电枢铁心；6后端盖；7刷杆座；8换向器；9电刷；10主磁极；11机座；12励磁绕组；13风扇；14前端盖,主磁极的作用是产生气隙磁场。
2、主磁极由主磁极铁心和励磁绕组两部分组成。铁心一般用0.5mm1.5mm厚的硅钢板冲片叠压铆紧而成，分为极身和极靴两部分，上面套励磁绕组的部分称为极身，下面扩宽的部分称为极靴，极靴宽于极身，既可以调整气隙中磁场的分布，又便于固定励磁绕组。励磁绕组用绝缘铜线绕制而成，套在主磁极铁心上。整个主磁极用螺钉固定在机座上，,极身,极靴,换向极是改善换向，减小电机运行时电刷与换向器之间可能产生的换向火花，一般装在两个相邻主磁极之间，由换向极铁心和换向极绕组组成。换向极绕组用绝缘导线绕制而成，套在换向极铁心上，换向极的数目与主磁极相等。,机座是电机定子的外壳。作用有两个：一是用来固定主磁极、换向极和端盖，并起
3、整个电机的支撑和固定作用；二是机座本身也是磁路的一部分，磁通通过的这部分称为磁轭。为保证机座具有足够的机械强度和良好的导磁性能，一般为铸钢件或由钢板焊接而成。,电刷装置是换向器和电刷相接触，用来引入或引出直流电压和直流电流的，电刷装置由电刷、刷握、刷杆和刷杆座等组成。电刷放在刷握内，用弹簧压紧，使电刷与换向器之间有良好的滑动接触，刷握固定在刷杆上，刷杆装在圆环形的刷杆座上，相互之间必须绝缘。刷杆座装在端盖或轴承内盖上，圆周位置可以调整，调好以后加以固定。,转子电枢铁心是主磁路的主要部分，用以嵌放电枢绕组。一般电枢铁心采用由0.5mm厚的硅钢片冲制而成的冲片叠压而成，以降低电机运行时电枢铁心中产
4、生的涡流损耗和磁滞损耗。叠成的铁心固定在转轴或转子支架上。铁心的外圆开有电枢槽，槽内嵌放电枢绕组。,转子电枢绕组的作用是产生电磁转矩和感应电动势，是直流电机进行能量变换的关键部件，所以叫电枢。它是由许多线圈(以下称元件)按一定规律连接而成，线圈采用高强度漆包线或玻璃丝包扁铜线绕成，不同线圈的线圈边分上下两层嵌放在电枢槽中，线圈与铁心之间以及上、下两层线圈边之间都必须妥善绝缘。为防止离心力将线圈边甩出槽外，槽口用槽楔固定。线圈伸出槽外的端接部分用热固性无纬玻璃带进行绑扎。,换向器由绝缘的换向铜片组成圆筒状部件固定在转轴一端，与电枢绕组连接。,换向片之间用云母片绝缘，换向片的下部做成鸽尾形，两端用
5、钢制V形套筒和V形云母环固定，再用螺母锁紧。,转轴起转子旋转的支撑作用，需有一定的机械强度和刚度，一般用圆钢加工而成。,1槽楔 2线圈绝缘 3电枢导体 4层间绝缘 5槽绝缘 6槽底绝缘,电枢铁心冲片,永磁测速发电机,直流电机的名牌额定值,额定电压，额定电流，额定转速，额定转矩，额定温升，励磁方式等。,电动机额定功率：指轴上输出机械功率 PN=TNN=2TNnN /60,发电机额定功率：指输出电功率，PN=UNIN,额定角速度,额定输出转矩,额定转速,直流发电机参数 额定转速2850转/分的发电机,直流电动机型号和功用,Z2系列直流电动机有全国统一设计和企业标准改型两个系列，可供恒转矩或转速范围
6、不大于2：1（调磁场变速）的直流电力拖动之用。电动机的励磁方式为并励或他励（带有少量串励绕组）,他励电压为110V或220V。故此广泛应用在对起动和调遣要求较高的生产机械，如：冶金工业轧钢机，卷扬机，电力机车，金属切削机床，造纸，印刷、纺织、印染、水泥，塑料挤出机械的传动源。,Z2型直流电动机技术数据表,Z2系列小型直流电机共分11个机座号，每个机座号有两种铁心长度，制造有直流电动机、直流发电机、直流调压发电机三种，适用于一般正常的工作环境。电动机作一般传动用，发电机作为一般直流电源用，调压发电机作蓄电池组充电用。 励磁方式：电动机为带有少量稳定绕组的并激或他激励磁。 发电机为复激或他激励磁（
7、额定电压为230伏的发电机），调压发电机为并激励磁（不带串激绕组）。 电机的他激励磁电压制成有110伏或220伏二种。电动机额定电压110伏的仅有他励电压110伏一种。 系列电机根据使用要求可制成湿热地区使用的具有防潮、防霉、防盐雾性能的湿热带型（TH）直流电机。 型号含义：Z表示“直”流，2表示第二次全国定型设计，横线后数字表示机座号与铁心长短，例如Z2-11前一个1代表1号机座，后一个1代表短铁心，而Z2-112中11代表11号机座，2代表长铁心。,结构型式 1.直流发电机或直流调压发电机仅制造卧式，机座带底脚的一种。 2.直流电动机可制成下表所示的结构型式。,Z2系列电动机 1.电动机可
8、用三角皮带、正齿轮或弹性联轴器进行传动，不使电机轴承受轴向推力。 2.电动机可在正转或逆转情况下正常工作。 Z2系列发电机及调压发电机 1.Z2系列发电机及调压发电机的旋转方向自换向器端看去为顺时针方向，根据使用要求亦可制成逆时针方向旋转的发电机或调压发电机。 2.Z2系列发电机及调压发电机根据订货要求可制成与Y系列三相异步电动机配套成的发电机组成套供应。 3.调压发电机的额定功率为平均电压（对110/160伏的为135伏，对220/320伏的为270伏）时的功率，当电压高于平均电压时其输出功率不大于额定功率，当电压低于平均电压时其输出电流不大于额定电流。,Z3系列为型系列，用以代替Z2老系列
9、，为一般工业用小型直流电动机。与Z2系列相比，具有调速范围广，体积小，转动惯量小，质量轻等优点。安装尺寸与国际电工委员会（IEC）推荐标准相同为卧式结构，机座带底脚。,Z4系列直流电动机是统一设计的新系列，可取代Z2、Z3系列，使用于转速范围大、过载能力1.6倍的电力拖动。恒功率弱磁向上调速可达到1.03.8 nN，恒转矩降低电枢电压向下调速最低可至20r/min。,Z4与Z2、Z3系列相比，具有更多的优点。它不仅可用直流电源供电，更适用与静止整流电源供电，转动惯量小，有较好的动态性能，并能承受较高的负载变化率。适用于需要平滑调速、效率高、自动稳速、反应灵敏的控制系统。,额定电压为160V的电
10、动机，在单相桥式整流器供电情况下，在电枢回路需要接入电抗器以抑制脉动电流。额定电压为440V的电动机不需要外接电抗器。Z4系列电动机一般不带有串励绕组，Z4-315355型两个机组带有补偿机组。Z4-100280型不带补偿机。,15,000KW发电机圈式线圈,电机维修,直流电机电枢绕组,绕组元件(线圈)：外包绝缘的单匝或多匝线圈。,绕组的要求：在能通过规定电流和产生足够电势前提下，尽可能节省有色金属和绝缘材料，结构简单、运行可靠。,同步机定子下线,1槽楔 2线圈绝缘 3电枢导体 4层间绝缘 5槽绝缘 6槽底绝缘,电枢铁心冲片,有效边：每一个嵌放好的元件被切割的两条磁力线边。,节距： 第一节距y
11、1表示元件两边之间的距离。 y1=,整距； y1 ，短距； y1，长距；,端接：处在铁心端部连接上、下元件边的导体。,上、下元件边(上、下圈边) ：双层绕组中的上、下层绕组。,极距：相邻异性磁极间的距离。,叠绕,波绕,第二节距y2：相互连接的前一元件下圈边与后一元件上圈边之间的距离。合成节距y：相串联元件对应边间的距离，单叠绕组 y = 1。,总槽数,极数,叠绕： y= y1- y2 = yk = 1 波绕： y= y1+ y2 = yk,换向节距yk ：一个元件的上层元件边与下层元件边所连接两个换向片的距离。,双层直流机：Q= S =K,元件数,换向片数,取y1=,Q =16， 2p =4，
12、 y =1，Nc=1 的单叠右行绕组的展开图，y1=Q/2p =4， y2= -3,实线-上层边,虚线-下层边,电刷放在磁极中心线上，与空载为零的元件1、5、9、13接触。,磁极在上层,将同极性的电刷A1、 A2以及B1、 B2接在一起，故电枢绕组并联支路数2a= 2p =4=电刷数，使每极下两个有效边的电流相同，获得最大电磁转矩；或每条支路的感应电势最大。,单波绕组：从某个换向片出发，串联p个元件而绕电枢一周后所接的换向片与出发时换向片相邻。一般后退一片，端接短且避免交叉，又称左行绕组。,例：极对数p2，槽数、元件数及换向片数为Q=S=K15。,波绕组的支路对数a1，与极对数无关，可获得最大
13、电磁转矩。,可用一对电刷，但因受允许电流密度限制，减少电刷将增大电刷截面，故选电刷组数应等于极数。,还有复叠绕组、复波绕组、混合绕组,正常电压，大中容量的电流大、电压低的直流机用叠绕；几十千瓦以下的电流小、电压高的中小型电机和电压高中型电机用波绕。,直流电机按励磁方式分类：它励、并励、串励和复励，后三种为自励。并励和复励发电机常用。,直流电机的空载磁场：励磁磁通单独建立的磁场，电枢电流为0。,因主极靴宽度，极靴下气隙不太均匀，每条磁力线不尽相同。极靴中间气隙磁密大；极靴以外气隙磁密小。,磁化曲线,电枢反应 是指电枢磁动势对励磁磁场的影响。,电枢反应使气隙磁场发生畸变，有一定的去磁作用；使物理中
14、性线偏离几何中性线。,电刷在几何中性线上的电枢磁场,1.空载磁密平顶曲线，2.电枢磁势三角波曲线，3.电枢磁势产生的气隙磁密马鞍曲线，4.合成畸变的磁密曲线,直流电机的感应电势和电磁转矩,感应电势：,并联支路电势=电枢电势,电角度,机械角速度,电磁转矩,直流电动机的运行原理,并励电势平衡方程式（不计饱和）：,稳定运行时：,发电机的运行原理,稳定运行时：,电动机转矩平衡方程式,稳定运行时，,电磁转矩,机械转矩,空载转矩,惯性转矩,发电机转矩平衡方程式,原动机拖动转矩,稳定运行时，,电动机功率平衡方程式,转矩平衡方程式同乘：,输入电功率：,电刷接触损耗,机械损耗,电刷电压降,发电机功率平衡方程式,
15、直流电动机的工作特性,工作特性：当U=U N 、I f=I fN时，Te=f(Ia) 、 n=f(Ia) 、=f(Ia) 。,他励（并励）直流电动机的工作特性,不计去磁作用，,固定损耗=可变损耗，效率最大，且出现在80%负载时。,串励直流电动机的工作特性,串励直流电动机不允许空载运行。,不计饱和，,计饱和时，Tem以高于Ia一次方的比例增加，以保证在同样大小起动电流下，比并励机有更大的起动转矩。,串励电动机的=f(Ia)和并励电动机相似。,复励电动机工作特性,介于并励和串励之间。如果并励绕组磁通势起主要作用，其工作特性与并励电动机工作特性接近。如果串励绕组磁通势起主要作用，其工作特性与串励电动
16、机工作特性接近。但因为有并励绕组磁通势的存在，磁通不会趋近于零，所以空载或轻载时，仍能正常运行。,例2-1一台他励直流电动机，PN1325kW，UN 750V，IN 1930A，nN200rmin，Ra0.0161，2Uc=2V，设额定负载下，总制动转矩（即负载转矩）保持不变时，求：(1) 突然串电枢R0.0743，串电阻最初瞬间和达到稳定时的电枢电流和转速分别为多少？(2) 将少磁通10%时，稳定的电枢电流和转速 。,解：,例2-2一台他励直流电动机，PN22kW，UN 220V，IN 115A，nN1500rmin，Ra0.18，Rf628。求：(1) CEN ， CTN ；(2) Te
17、、T0 ， (3) n0 、n0 。,解：,我们周围的电机举例：,我们周围的电机举例：,主磁极的结构,换向极,1主磁极 2励磁绕组 3机座,1换向极铁心 2换向极绕组,基本构造： 定、转子 。,电刷、换向器作用： 起机械整流器作用 。后续基本原理中进一步介绍（元件交流，电刷两端直流）。,注意：各部件的作用。,一、构造,风叶,磁极,电刷,电枢转子,转轴,换向器,换向片,压紧环,电枢绕组,绕组端部,结构细说,注：书P.62. 图5-1-1的电机是较大型的电机，其电枢绕组中间开有通风槽。,换向器,电枢绕组,另外一半电枢绕组也构成另外一条支路。,不管电枢如何转动，一条支路中绕组感应的总电势大小基本不变
18、（微小脉动）。,换向定义：从一条支路换到另一条支路，元件内的电流改变方向。元件必须经过电刷短接后才能进入另一条支路，换向元件中若存在电势则短接时会产生火花 电磁原因（还有机械、电化学等原因）。 换向火花危害：烧坏换向器、绕组，过热、引爆引燃。 换向火花克服：（通过磁极尖增、去磁电枢反应的情况说明）：1. 换向极；2. 移动电刷（与转向有关，发电机和电动机正好相反）。 见书P.67 图5-2-4，注意：发电机和电动机的电流与转向的关系正好相反。 克服火花应移动的方向（助记）： “顺发、逆动”。, 第二节要点 ：原理（AC / DC转换）；电势、转矩计算；电刷位置；换向定义。,换向及换向火花,三、外特性,励磁方式：他励、并励和复励（前面已讲） P.69 图5-3-3。 外特性与励磁方式有关，以并励发电机为主进行说明，注意“条件”。 关系式 P.69 式（5-3-2）。 他励：励磁电压不受影响，只有内阻压降。 比并励较硬。 并励：内阻压降使端电压略有下降，励磁相对减少。 注意：电压变化率的计算和区别（P.69）,重新解释： 直流发电机不用串励的原因。,